Karbiddannelse i Manganovner

Abstract

Når karbon løses opp i silikomangan(SiMn)-prosessen kan det dannes titankarbid (TiC), silisiumkarbid (SiC) eller grafitt i ovnen. Silisiuminnholdet i legeringen avgjør om silisiumkarbid eller grafitt vil være den stabile karbidholdige fasen. Dette vil også påvirke løseligheten av karbon i legeringen. Lite arbeid har blitt publisert på dannelsen av titankarbid i SiMn-prosessen. Denne oppgaven omhandler undersøkelse av karbiddannelse gjennom reaksjoner mellom slagg, metall og oppløst karbon fra grafittdigel. Målet med dette arbeidet har vært å undersøke mulige opprinnelser til karbider som blir dannet i silikomanganprosessen. Dette ble gjort ved å reprodusere mekanismene i SiMn-produksjonen, utført ved smelteforsøk i en rørovn. To typer SiMn legering fra industrien har blitt brukt i smelteforsøkene, en med c. 19,66 vekt% Si og en med c. 29,44 vekt% Si. Tre syntetiske slagger ble anvendt, som inneholdt henholdsvis: 0 vekt% TiO2, 1 vekt% TiO2 og 10 vekt% TiO2. De produserte prøvene ble studert ved hjelp av mikrosonde for å gi kjemisk sammensetning og struktur av fasene tilstede i de avkjølte prøvene. Effekten av fire variabler i smelteforsøkene ble undersøkt:

1) Effekten av silisiuminnhold i legeringen

I forsøkene utført med standard-SiMn legering, som inneholdt c. 19,66 vekt% Si, ble SiC observert i 2/10 eksperimenter analysert. I forsøkene utført med lav karbon-SiMn legering, som inneholdt c. 29,44 vekt% Si, ble SiC observert i 8/9 eksperimenter analysert. Når Si-innholdet økes i legeringen, vil mindre TiC akkumulere.

2) Effekten av titaninnhold i slaggen

Ved bruk av slagg uten TiO2 ble det ikke observert noe TiC i prøvene. Ved å bruke slagg med høyere% Ti, vil det resultere i mer TiC. Ved bruk av slagg med 1wt% TiO2 ble TiC bare observert på grenseflaten til digelen og på grenseflaten mellom slagg og metall. Digelen måtte være i kontakt med både slagg og metall for å danne TiC. TiC syntes å ha hovedsakelig vært dannet av en direkte reaksjon mellom oppløst karbon og oppløst TiO2. Ved å øke TiO2-innholdet i slaggen til 10 vekt% ble TiC observert å ha akkumulert på digelgrenseflaten, på slagg-metallgrenseflaten og i hoveddelen av slaggen. TiC måtte ikke være i kontakt med både slagg og metall. TiC ble observert i kontakt med bare grafitt og slagg, og i kontakt med bare metall og slagg. TiC synes å ha blitt dannet ved en direkte reaksjon mellom oppløst karbon og oppløst TiO2. Med økt Ti-innhold ble det observert at mindre SiC vil akkumulere, og i noen tilfeller ikke i det hele tatt. Ved høyere Ti-innhold (10 vekt% TiO2 i slaggen) ble det observert at det ikke har akkumulert noen SiC eller relativt små mengder.

3) Effekten av temperatur

Økning av temperaturen vil resultere i at flere karbider blir utfelt ved avkjøling i hovedparten av metallet, dette på grunn av økt karbonoppløselighet ved høyere temperaturer. Ved å øke temperaturen vil dannelse av SiC i motsetning til grafitt fremmes, til på grunn av økt karbonoppløselighet.

4) Effekten av holdetid

Effekten av holdetid på TiC-formasjon synes å være lite viktig. En viss økning i partikkelstørrelse ble observert. Ingen effekt av holdetid på SiC-dannelse ble observert. Resultatene viste at dannelse gjennom en reaksjon mellom grafitt-slagg (fast-væske) og dannelse gjennom slagg-metall (væske-væske) var den største bidragsyteren til akkumulering av TiC. Silisiummetning av metallfasen, hvor utfelling av SiC skjer når legeringen avkjøles virket å være tilfellet for SiC-dannelse.

When carbon is dissolved in the silicomanganese process, it can form titanium carbide, silicon carbide, and graphite in the furnace. The silicon content in the alloy decides whether silicon carbide or graphite will be the stable carbon containing phase. It will also affect the solubility of carbon in the alloy. Little work is published on the formation of titanium carbide in the SiMn process. This thesis examines the formation of carbides through the reaction between slag, metal, and dissolved carbon. The goal of this project was to investigate the possible origins of the carbides found in submerged arc furnaces producing silicomanganese alloys. This was done by reproducing the mechanisms of SiMn production carried out through melting experiments in a vertical tube furnace. Two types of SiMn alloy was obtained from the industry with c. 19.66 wt.% Si and 29.44 wt.% Si, named Metal 1 and 2 in the thesis. Three types of synthetic slag, Slag 1, 2 and 3, were used, containing no titanium, 1wt% TiO2 and 10wt.% TiO2, respectively. The produced samples were studied by EPMA to give chemical composition and structure of the phases present in the samples. The effect of four variables in the melting experiments was investigated:

1) The effect of silicon content in the alloy:

In the experiments conducted with Std-SiMn alloy containing 20wt.% Si, SiC was observed in 2/10 experiments analyzed. In the experiments conducted with LC-SiMn alloy containing 29wt.% Si, SiC was observed in 8/9 experiments analyzed. When increasing the Si content in the alloy, less TiC will accumulate.

2) The effect of titanium content in the slag:

When using slag with no TiO2, no TiC was observed in the samples. Using a slag with a higher % Ti will result in more TiC. When using slag with 1wt.% TiO2, TiC was only observed on the crucible interface and the slag-metal interface. The crucible had to be in contact with both slag and metal to form TiC. The TiC seems to have been mostly formed by a direct reaction between dissolved carbon and dissolved TiO2. By increasing the TiO2 content in the slag to 10wt.%, the TiC was observed to have accumulated on the crucible interface, on the slag-metal interface and in the bulk of the slag. The TiC did not have to be in contact with both slag and metal. TiC was observed in contact with only graphite and slag as well as only metal and slag. The TiC seems to have been formed by a direct reaction between dissolved carbon and dissolved TiO2. With increased Ti content, it was observed that less SiC would accumulate, and in some cases not at all. At higher Ti contents (10wt.% TiO2 in the slag) most samples were observed not to have accumulated any SiC, or relatively small amounts.

3) The effect of temperature:

Increasing the temperature will result in more carbides being precipitated by cooling in the bulk of the metal, due to increased carbon solubility at higher temperatures. Increasing the temperature will also encourage the formation of SiC as opposed to graphite, due to the increased carbon solubility.

4) The effect of hold time

The effect of hold time on TiC formation seemed to be trivial. Some increase in particle size was observed. No effect of hold time on SiC formation was observed. From the results, formation through the graphite-slag (solid-liquid) reaction and formation through slag-metal (liquid-liquid) seemed to be the most significant contributor to TiC accumulation. Silicon saturation of the metal phase, precipitating SiC as the alloy cools, seemed to be the case for SiC formation.